Курсач / Доп материалы / Литература / Термодинамика_часть 2 (старое издание)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

________________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

ЧАСТЬ II ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

ВТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ НЕФТЯНОЙ

ИГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» и специальностям: 150205,

151001, 151202, 240401, 240403, 280201.

Москва 2005

1

УДК 622.276

П 76

Теоретические основы теплотехники. Часть II. Теплопередача

/ Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин, К.Х. Шотиди.

Учебное пособие. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 148 с.

В пособии в систематизированном виде изложены основные положе-

ния теории теплообмена и расчетные технические приложения термодинами-

ки, относящиеся к технологическим процессам нефтяной и газовой промыш-

ленности. Учебное пособие полностью отражает материалы второй части теоретических основ теплотехники, являющейся фундаментом дисциплины

«Теплотехника».

Пособие предназначено для подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» и

специальностям: 150205, 151001, 151202, 240401, 240403, 280201.

Рецензенты:

д. т. н., профессор, С.П. Зарицкий, ДОАО «Оргэнергогаз»;

д. т. н., профессор, В.А. Иванов, ТюмГНГУ.

©Б.П. Поршаков, А.Ф. Калинин, С.М. Купцов, А.С. Лопатин,

К.Х. Шотиди, 2005

©РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….….... 4

1.Основные положения теплопередачи…..………………………….………. 6

2.Теплопроводность при стационарном

температурном поле ……………………………………..………….….…... 10

3. Теплопроводность при нестационарном температурном поле ……………………………………………..………… 26

4.Основные положения конвективного теплообмена.…................................ 41

5.Конвективный теплообмен при естественной конвекции………………… 51

6.Конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости .…… 56

7.Конвективный теплообмен при кипении однокомпонентной жидкости ... 65

8.Конвективный теплообмен при конденсации чистого пара …..…….…… 68

9.Конвективный теплообмен при конденсации пара

из парогазовой смеси…..…………………………………………………… 69

10.Лучистый теплообмен ………………………………………………..….... 69

11.Сложный теплообмен (теплопередача).……………………………….…. 82

12.Теплообменные аппараты и основы их теплового расчета..…….…........ 52

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………..…. 148

3

Введение

Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики, инструментом проведения внутренней и внешней поли-

тики.

Энергетический сектор обеспечивает жизнедеятельность многих отрас-

лей промышленности, консолидацию субъектов Российской Федерации, во многом определяет формирование основных финансово-экономических по-

казателей страны.

Приоритетными задачами энергетической стратегии России являются:

 полное и надежное обеспечение населения и экономики страны энергоресурсами по доступным и вместе с тем стимулирующим энерго-

сбережение ценам;

снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны;

снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, транспортировке и реализации продукции топливно-

энергетического комплекса и т.д.

Решение многих из этих задач невозможно без использования методо-

логии и математического аппарата, представленного в разделах теплотехни-

ки.

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы по-

лучения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также прин-

ципы действия и конструктивные особенности теплоэнергетических устано-

вок и систем.

Теоретической основой теплотехники являются термодинамика и те плопередача, которые являются фундаментальными базовыми дисциплинами для большинства инженерных специальностей.

4

Теплопередача (теория теплообмена) - называется наука изучающая процессы передачи теплоты между телами, распространение теплоты в про-

странстве и распределение температуры в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы непрерывно возникают при работе теплоэнергетическо-

го оборудования. Изучение этих процессов при различных условиях их про-

текания составляют содержание учения о теплообмене.

Знание законов теплообмена позволяет определить количество переда-

ваемой теплоты, интенсифицировать теплообмен в одних случаях и затруд-

нить его в других, правильно конструировать разнообразные машины, аппа-

раты и другие технические устройства, в которых рабочие процессы сопро-

вождаются теплообменом.

Различают три основные формы передачи теплоты: теплопроводность,

конвективный теплообмен и лучистый теплообмен в пособии последователь-

но рассматриваются законы и расчетные соотношения этих видов распро-

странения теплоты.

Затем эти законы и расчетные соотношения используются для решения задач теплопередачи при одновременном действии теплопроводности, кон-

вективного и лучистого теплообмена. Рассмотрено также использование за-

конов теплопередачи в расчетах теплообменных аппаратов различного направления.

В пособии включены основные сведения по теплообмену, осложнено-

му массообменном.

1. Основные положения теплообмена

При соприкосновении двух тел с различной температурой происходит обмен энергии движения частиц этих тел (молекул, атомов, свободных элек-

тронов), в результате которого интенсивность движения частиц тела с мень-

шей температурой увеличивается, а интенсивность движения частиц тела с более высокой температурой уменьшается: тело с меньшей температурой нагревается , а другое остывает. Следовательно, для возникновения процесса

5

теплообмена между двумя телами или между различными областями про-

странства, заполненного вещественной средой, необходимо наличие разности температур.

Наряду с распространением теплоты в вещественной среде, вызванное тепловым движением ее частиц, наблюдается также перенос теплоты посред-

ством излучения, когда энергия передается от одного тела к другому посред-

ством электромагнитных волн.

Различают три основные формы передачи теплоты: теплопроводность,

конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность представляет собой форму распространения тепло-

ты путем непосредственного соприкосновения отдельных частиц тела, име-

ющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происходит вследствие передачи энергии передачи микродвижения одних элементарных частиц другим.

Конвективным теплообменном называется форма переноса теплоты, в

пространстве, осуществляемая перемещающимися частицами жидкости (ка-

пельная жидкость или газ). При перемещении в пространстве различно нагретых частиц жидкости происходит непосредственное их соприкоснове-

ние, поэтому здесь имеет место теплопроводность. Следовательно конвек-

тивный теплообмен представляет собой совокупное действие двух процессов

–конвекции и теплопроводности.

Взависимости от причины вызывающей движение жидкости, различа-

ют конвективный теплообмен при свободном движении жидкости (свобод-

ная конвекция) и конвективный теплообмен при вынужденном движении

жидкости (вынужденная конвекция).

Свободная конвекция возникает вследствие разности плотностей не-

равномерно нагретых слоев жидкости или газа в поле сил тяготения. Возник-

новение и интенсивность свободной конвекции зависит от разности темпера-

тур, рода и физических свойств жидкости, объема пространства в котором протекает процесс.

6

Вынужденная конвекция возникает под влиянием внешнего воздей-

ствия (например, ветра, насоса, компрессора, вентилятора и т.д.), которое со-

здает перепад давления. Интенсивность процесса зависит от рода и физиче-

ских свойств среды, ее температуры, скорости движения, формы и размеров пространства, в котором происходит движение.

Тепловым излучением называется процесс переноса теплоты в про-

странстве электромагнитными волнами.

Лучистым теплообменом, или тепловым излучением называется форма передачи теплоты излучением между телами, который включает последова-

тельное превращение внутренней энергии тела в энергию излучения, распро-

странение ее в пространстве и превращение энергии излучения во внутрен-

нюю энергию другого тела.

Рассмотренные формы передачи теплоты во многих случаях осуществ-

ляются совместно, что необходимо учитывать при расчете процессов тепло-

обмена

Температурное поле

Процесс теплообмена, может имеет место только при условии, что в различных точках тела (или системы) температура неодинакова. В общем случае процесс распространение теплоты в телах и теплообмен между телами сопровождается изменением температуры как, в пространстве, так и во вре-

для всех точек пространства, определяемых координатами x, y,z,называется

температурным полем

Уравнение (1) является математическим выражением температурного поля записанное в неявной форме. Различают стационарное (установившее-

ся) и нестационарное (неустановившееся) температурные поля.

Стационарное температурное поле наблюдается в том случае, когда температура в различных точках пространства не изменяется во времени. Ес-

7

ли температура изменяется во времени – температурное поле называется не-

стационарным.

Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной коорди-

наты. Соответственно оно называется трех-, двух и одномерным.

Простейшее одномерное стационарное температурное поле имеет сле-

дующий вид:

В соответствии с классификацией температурного поля принципиально различают стационарный и нестационарный процессы передачи теплоты.

Аналитическое исследование теплообмена сводится к изучению про-

странственно-временного изменения температуры, т.е. нахождению уравне-

ния (1) в явном виде.

Температурный градиент

Если соединить точки тела, имеющие одинаковую температуру, полу-

чим поверхность равных температур, называемую изотермической. Изотер-

мической поверхностью тела называется геометрическое место точек, имею-

щих одинаковую температуру. Поскольку в одной и той же точке тела одно-

временно не может быть двух различных значений температуры, изотерми-

ческие поверхности не могут пересекаться, они либо замыкаются внутри са-

мого тела либо обрываются на его границах.

Рис. 1. К определению температурного градиента, изотермических линий и теплового потока

8

Рассмотрим две близко расположенные по отношению друг другу изо-

нии вдоль изотермической поверхности с температурой t изменение темпера-

туры не наблюдается. Перемещаясь же по направлению x в сторону изотермы

нение температуры. При этом наибольшее изменение температуры на едини-

цу длины будет наблюдаться в направлении нормали n к изотермической по-

верхности. Возрастание температуры в направлении к изотермической по-

верхности характеризуется градиентом температур.

Температурный градиент есть вектор направленный по нормали к изо-

термической поверхности в сторону возрастания температуры и численно

В случае трехмерного температурного поля суммарный температурный градиент определяется по правилу сложения векторов

Количества теплоты Q , проходящее в единицу времени через изотер-

мическую поверхность F , называется тепловым потоком. Тепловой поток,

приходящийся на единицу поверхности, называется удельным тепловым по-

током, плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой поверхности q.

Если градиент температуры для различных точек поверхности различ-

ный, то количество теплоты через всю изотермическую поверхность в еди-

ницу времени равно

9

где Q – тепловой поток, Вm; dF – элемент изотермической поверхности, м.

Величины Q, а также q являются вектором, за положительное направ-

ление которого принимается направление по нормали к изотермической по-

верхности в сторону уменьшения температуры (рис.1).

2. Теплопроводность при стационарном температурном поле

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты пу-

тем непосредственного соприкосновения тел или отдельных частей тела,

имеющих различную температуру. При этом процесс теплообмена происхо-

дит за счет передачи энергии микродвижения одних частиц другим.

Вчистом виде теплопроводность наблюдается в твердых телах, а также

внеподвижных газах и жидкостях в том случае, когда в них отсутствует кон-

векция.

В металлах перенос теплоты осуществляется путем движения (диффу-

зии) свободных электронов; передача теплоты за счет упругих колебаний кристаллической решетки второстепенна. В жидкостях и твердых телах – ди-

электриках теплопроводность осуществляется упругими волнам.

В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения (путем диффузии молекул и ато-

мов).

Стационарная теплопроводность

Необходимым условием распространения теплоты является неравно-

мерность распределения температуры в рассматриваемой среде. Таким обра-

зом, для передачи теплоты теплопроводностью необходимо неравенство ну-

лю температурного градиента в различных точках тела.

10